第2章 PMSM結構與基本工作原理

2.1 PMSM結構

根據轉子與定子的相對位置，可以劃分為內轉子與外轉子兩種PMSM，本書圍繞內轉子PMSM進行分析。

永磁同步電動機的結構示意圖與外形圖如圖2-1所示，主要包括機座、定子鐵心、定子繞組、轉子鐵心、永磁體、轉子軸、軸承及電動機端蓋等部分，此外還有轉子支撐部件、通風孔或者冷卻水道、外部的接線盒等。

圖2-1 永磁同步電動機結構示意圖與電動機的外形圖

2.1.1 定子

PMSM的定子主要是指定子繞組與定子鐵心部分。

一般采用表面絕緣的銅材料先繞制成多匝線圈，將線圈放置在合適的定子槽中，然后將某一相繞組的線圈連接起來，最后將不同磁極下同一相繞組的線圈焊接在一起，從而構成一相繞組，并將其從內部與電動機接線盒中的對應端子相連。

從圖2-2中可以看出，除導電材料外，需要用各種絕緣材料將線圈之間及其與鐵心之間隔離開，同時起到初步固定線圈的作用。

PMSM的定子繞組目前有分布式與集中式兩種結構。分布式繞組與異步電動機的定子多相交流繞組相似，一般希望分布在定子槽中的定子繞組產生的理想磁通勢為正弦波，然而實際繞組不會產生理想的正弦波。定義每極每相槽數q=Z/（2n_pm），Z為定子槽數，n_p為電動機極對數，m為電動機定子繞組相數。若q值較大，采用雙層短距繞組（即線圈的跨距小于一個極距）可以改善電動勢的波形。但是，極數多的電動機和q值大的電動機在制造工藝上比較難以實現，并且端部較長的電動機也會增加銅耗。

如圖2-3所示，與分布式繞組的傳統電動機相比而言，集中式繞組的端部較短，工藝相對簡單，結構更加緊湊。采用集中式繞組后，繞組端部的銅耗量可以顯著減少，特別是電動機的軸向長度很短的時候，效果更加明顯。由于其性價比高，分數槽集中繞組永磁電動機受到越來越多的關注。分數槽集中繞組永磁電動機每個線圈只繞在一個齒上，繞線簡單且可以自動繞線，所以價格方面會更低。分數槽繞組的極數和齒數需要按合適的比例進行組合。

圖2-2 電動機定子繞組圖片

圖2-3 兩種形式的定子繞組

a）整數槽分布式繞組 b）分數槽集中式繞組

PMSM的定子鐵心與傳統電勵磁同步電動機相同，采用疊片結構以減小電動機運行時的鐵耗。

2.1.2 轉子

永磁同步電動機的轉子包括永磁體、轉子鐵心、轉軸、軸承等。傳統的電網供電異步起動永磁同步電動機的轉子會安裝有籠形繞組，現代變頻調速用永磁同步電動機通常不會安裝轉子繞組。

為了降低電動機運行時的鐵耗，PMSM的轉子鐵心通常采用疊片結構。圖2-4a給出了轉子鐵心沖片圖片，圖2-4b是對沖片進行加工，將其制作成整體。從圖中可以看出在轉子鐵心的截面中，留有永磁體和轉子軸的安裝空間，另外還有通風孔等。圖2-4c是瓦片形狀永磁體圖片，它常用于插入式永磁同步電動機中。如圖2-5b。

圖2-4 轉子鐵心與永磁體

a）轉子沖片 b）轉子鐵心的加工 c）瓦片狀永磁體

具體來說，根據永磁體在轉子鐵心中的位置可以劃分為表面式與內置式PMSM，其中表面式PMSM（SPM）轉子結構又可以分為表貼式與插入式兩種結構，如圖2-5所示。

圖2-5a中電動機極對數為2，圖b中電動機極對數為4，兩幅圖中都已經標出了d軸線與q軸線的位置。d軸線與電動機的轉子磁極所在軸線重合，q軸線超前d軸線90°電角度，即與相鄰兩個磁極的幾何中性線重合。由于磁極對數不同，所以q軸與d軸之間的機械角度差是不同的，但電角度的差都是90°。

圖2-5 典型的SPM永磁電動機

圖2-5中SPM轉子結構的特點是：永磁體貼在轉子圓形鐵心外側；由于永磁材料磁導率與氣隙磁導率接近，即相對磁導率接近1，其有效氣隙長度是氣隙和徑向永磁體厚度總和；交直軸磁路基本對稱，電動機的凸極率ρ=L_q/L_d≈1，所以SPM是典型的隱極電動機，無凸極效應和磁阻轉矩；該類電動機交、直軸磁路的等效氣隙都很大，所以電樞反應比較小，弱磁能力較差，其恒功率弱磁運行范圍通常都比較小。由于永磁體直接暴露在氣隙磁場中，因而容易退磁，弱磁能力受到限制。由于制造工藝簡單、成本低，應用較廣泛，尤其適宜于方波式永磁電動機（無刷直流電動機）。

內置式PMSM（IPM）的永磁體埋于轉子鐵心內部，其外表面與氣隙之間有鐵磁物質的極靴保護，永磁體受到極靴的保護；q軸電感大于d軸電感，有利于弱磁升速。由于永磁體埋于轉子鐵心內部，轉子結構更加牢固，易于提高電動機高速旋轉的安全性。

IPM的轉子磁路結構又可以分為徑向式、切向式和混合式三種。圖2-6a給出了徑向式轉子磁路結構示意圖。此時，永磁體置于轉子的內部，適用于高速運行場合；有效氣隙較小，d軸和q軸的電樞反應電抗均較大，從而存在較大的弱磁升速空間。另外，從圖2-6a中可以看出，d軸的等效氣隙較q軸等效氣隙更大，所以電動機的凸極率ρ=L_q/L_d＞1。轉子交、直軸磁路不對稱的凸極效應所產生的磁阻轉矩有助于提高電動機的功率密度和過載能力，而且易于弱磁擴速，提高電動機的恒功率運行范圍。

圖2-6b給出了切向式IPM的轉子磁路結構，相鄰兩個磁極并聯提供一個極距下的磁通，所以可以得到更大的每極磁通。當電動機極數較多時，該結構特點更加突出。采用切向結構電動機的磁阻轉矩在電動機的總電磁轉矩中的比例可達40%。

徑向式結構的PMSM漏磁系數小，不需采取隔磁措施，極弧系數易控制，轉子強度高，永磁體不易變形。切向式結構的PMSM漏磁系數大，需采取隔磁措施，每極磁通大，極數多，磁阻轉矩大。此外，還有混合式結構的PMSM，它結合了徑向式和切向式的優點，但結構和工藝復雜，成本高。

圖2-6 徑向式與切向式IPM轉子磁路

圖2-7給出了不同轉子結構永磁電動機凸極率的情況。其中表貼式電動機的凸極率最小，其次是表面插入式轉子電動機。IPM電動機轉子的結構設計靈活多樣，可適用于不同的弱磁控制和恒功率運行范圍的要求。其中單層（SINGLE-LAYER）磁鋼結構的IPM電動機應用廣泛，電動機的凸極率ρ可以達到3左右；雙層（DOUBLE-LAYER）磁鋼和三層（THREE_- LAYER）磁鋼結構的IPM電動機的凸極率可達到10～12；三層以上磁鋼的IPM電動機采用軸向迭片（AXIALLY-LAMINATED）結構后，凸極率ρ＞12。由此可見，采用多層磁鋼轉子結構，可以顯著提高電動機的凸極率，增加氣隙磁通密度。但是，其缺點是結構和制造工藝復雜，制造成本也高。

圖2-7 不同轉子結構永磁電動機的凸極率